Introduzione alle Sinapsi Chimiche PDF

INTRODUZIONE ALLE SINAPSI CHIMICHE La lezione odierna si concentra sulle sinapsi chimiche, proseguendo il discorso introdotto in precedenza. Le sinapsi chimiche si differenziano da quelle elettriche per il meccanismo di trasmissione del segnale, che avviene attraverso il rilascio di neurotrasmettito...

INTRODUZIONE ALLE SINAPSI CHIMICHE La lezione odierna si concentra sulle sinapsi chimiche, proseguendo il discorso introdotto in precedenza. Le sinapsi chimiche si differenziano da quelle elettriche per il meccanismo di trasmissione del segnale, che avviene attraverso il rilascio di neurotrasmettitori. Ruolo del Calcio nel Rilascio dei Neurotrasmettitori Un elemento cruciale nelle sinapsi chimiche è l'ingresso di ioni calcio (Ca²⁺) nei terminali presinaptici tramite canali voltaggio-dipendenti. Questo afflusso di calcio è il segnale che innesca il rilascio delle vescicole sinaptiche, contenenti neurotrasmettitore, nello spazio sinaptico. Potenziali Post-Sinaptici in Miniatura Le sinapsi chimiche, anche in assenza di stimolazione, rilasciano occasionalmente singole vescicole di neurotrasmettitore in modo casuale. Questo rilascio spontaneo genera potenziali post-sinaptici di piccola ampiezza nella cellula bersaglio, definiti "potenziali in miniatura" (o "potenziali di placca in miniatura" nella placca neuromuscolare). Ampiezza: Questi potenziali hanno un'ampiezza caratteristica, tipicamente intorno a 0,4 mV, con una certa variabilità. Istogrammi: Analizzando la frequenza con cui si presentano potenziali di diverse ampiezze, si osserva una distribuzione centrata intorno a tale valore, con un andamento che riflette la liberazione di una singola vescicola. Potenziali Post-Sinaptici Indotti e Risposta Quantizzata Quando un impulso nervoso raggiunge la terminazione presinaptica, l'ingresso di calcio e il conseguente rilascio di neurotrasmettitore sono più ampi e producono risposte nella cellula post-sinaptica che sono multipli interi dei potenziali in miniatura: Risposta Quantizzata: Le risposte indotte tendono a presentare picchi di ampiezza multipli dell'ampiezza dei potenziali in miniatura, suggerendo che il rilascio di neurotrasmettitore avviene per "quanti", cioè multipli di un singolo pacchetto (vescicola). Intensità dello Stimolo: All'aumentare dell'intensità dello stimolo presinaptico, si osserva una maggiore probabilità di risposte post-sinaptiche di ampiezza doppia, tripla o quadrupla rispetto ai potenziali in miniatura. Meccanismo di Rilascio del Neurotrasmettitore Il rilascio del neurotrasmettitore dalle vescicole sinaptiche è un processo complesso che coinvolge proteine specifiche: 1. Proteine SNARE: Tre proteine (due sulla membrana plasmatica e una sulla vescicola sinaptica) che si legano in presenza di calcio, avvicinando le membrane per la fusione. 2. Fattore NFS: Dopo la fusione, il fattore N-ethylmaleimide sensitive factor (NFS) scinde le proteine SNARE, consentendo il rilascio del neurotrasmettitore nello spazio sinaptico. 3. Ruolo del Calcio: L'ingresso di calcio è cruciale per l'interazione sia diretta con la sintaxina che con altre proteine calcio-leganti (come la sinaptotagmina) sulla vescicola. Farmaci e Tossine Il complesso di rilascio del neurotrasmettitore è vulnerabile a farmaci e tossine:  Tossina Botulinica: Interagisce con le proteine SNARE, bloccando il rilascio del neurotrasmettitore. Tossina Tetanica: Scinde la sinaptobrevina, impedendo il rilascio del neurotrasmettitore. Recettori Post-Sinaptici e Neurotrasmettitori Dopo il rilascio, il neurotrasmettitore interagisce con recettori specifici sulla membrana post-sinaptica. Esistono due principali famiglie di recettori: 1. Recettori Ionotropi (o Recettori-Canale): Struttura: Sono proteine transmembrana che formano un poro ionico. Funzione: Il legame del neurotrasmettitore al recettore induce un cambio conformazionale che apre il canale, permettendo il passaggio di ioni e la conseguente variazione del potenziale di membrana. Sono di fatto canali ligando dipendenti Velocità: L'apertura è rapida (0,5-1 msec). 2. Recettori Metabotropi: Struttura: Sono proteine di membrana che non sono canali ionici. Funzione: Il legame del neurotrasmettitore induce un cambio conformazionale che attiva una cascata di segnali intracellulari che, a loro volta, andranno a modificare i canali ionici. Interazione con Proteine G: L'attivazione spesso coinvolge proteine G che possono: Agire direttamente sui canali: La proteina G interagisce direttamente con un canale ionico, modificandone lo stato di apertura o chiusura (canale ionico proteina G- dipendente). Attivare secondi messaggeri: La proteina G interagisce con enzimi (es. adenilato ciclasi) che producono secondi messaggeri (es. AMP ciclico) che, a loro volta, attivano protein-chinasi (es. protein-chinasi AMPc-dipendente), che andranno a fosforilare i canali ionici (di solito chiudendoli). Velocità: Più lenti rispetto ai recettori ionotropi (circa 10 msec).  Altre Funzioni: La via dei secondi messaggeri permette di modulare la risposta sinaptica e innescare altre funzioni cellulari, inclusi cambiamenti a lungo termine nella plasticità sinaptica. Azione dei Neurotrasmettitori: Recettori Ionotropi e Metabotropi I neurotrasmettitori esercitano la loro azione legandosi a specifici recettori sulla membrana post- sinaptica. In generale, un neurotrasmettitore può interagire sia con recettori ionotropi che metabotropi. Specificità e Velocità di Azione Acetilcolina: Questo neurotrasmettitore può legarsi sia a recettori ionotropi (nicotinici) che metabotropi (muscarinici). Muscolo Scheletrico: La trasmissione neuromuscolare richiede velocità, quindi l'acetilcolina agisce sui recettori nicotinici (ionotropi) che sono veloci e causano sempre eccitazione. Muscolatura Liscia: I recettori muscarinici (metabotropi) dell'acetilcolina nella muscolatura liscia hanno azioni più lente e possono essere sia eccitatori che inibitori. Recettori Ionotropi: Apertura Diretta dei Canali Quando un neurotrasmettitore si lega a un recettore ionotropo, il canale ionico associato si apre direttamente, modificando la permeabilità della membrana a specifici ioni. Effetti: L'effetto può essere eccitatorio o inibitorio, a seconda del tipo di ione che attraversa il canale. Depolarizzazione: L'apertura di canali per il sodio (Na⁺) provoca un influsso di Na⁺ nella cellula, con conseguente depolarizzazione. Iperpolarizzazione: L'apertura di canali per il potassio (K⁺) o per il cloro (Cl⁻) provoca un  efflusso di K⁺ o un influsso di Cl⁻ nella cellula, con conseguente iperpolarizzazione. Recettori Metabotropi: Cascata di Segnali Intracellulari Il legame del neurotrasmettitore ai recettori metabotropi non provoca direttamente l'apertura di un canale ionico, ma innesca una cascata di segnali intracellulari che, in ultima analisi, influenzano l'apertura o la chiusura di canali ionici, oltre a modulare altri processi cellulari. Effetti: L'attivazione dei recettori metabotropi può provocare sia depolarizzazione che iperpolarizzazione, attraverso l'azione diretta di proteine G sui canali ionici o attraverso l'attivazione di secondi messaggeri. Modifiche a Lungo Termine: I secondi messaggeri possono modulare l'espressione genica e modificare la sintesi di proteine, portando a cambiamenti a lungo termine nelle proprietà della cellula post-sinaptica. Esempio dell'Azione dei Secondi Messaggeri: Serotonina Il legame della serotonina al suo recettore metabotropo attiva una proteina G, che a sua volta attiva l'adenilato ciclasi, con conseguente produzione di AMP ciclico. L'AMP ciclico attiva la protein-chinasi, che fosforila e chiude i canali del potassio, riducendo l'efflusso di K⁺ e depolarizzando la cellula. Questo effetto si può anche prolungare nel tempo attraverso l'induzione della sintesi di proteine che agiscono sui canali potassio. Principali Neurotrasmettitori e Recettori Associati La risposta post-sinaptica dipende dal tipo di recettore e non dal neurotrasmettitore in sé: Glutammato: Generalmente eccitatorio (con eccezioni nella vista). Serotonina: Generalmente eccitatorio.  GABA e Glicina: Generalmente inibitori. Acetilcolina: Eccitatoria nel muscolo scheletrico, ma può essere eccitatoria o inibitoria nel sistema autonomo. Noradrenalina e Dopamina: Possono essere sia eccitatorie che inibitorie. Encefalina: Modula negativamente la trasmissione del dolore. Potenziale di Inversione e Tipo di Canale L'analisi del potenziale di inversione delle risposte post-sinaptiche è utile per identificare il tipo di ione che attraversa i canali ionici. Canali Cationici Aspecifici (Aperti da Acetilcolina e Glutammato): A -90 mV il potenziale postsinaptico è fortemente eccitatorio. Il potenziale postsinaptico si annulla intorno allo 0 mV. Sopra lo 0 mV si inverte, con prevalenza dell'uscita di potassio sull'ingresso di sodio. Questi sono canali che fanno entrare più sodio che potassio e quindi portano la cellula a depolarizzare, producendo un potenziale post-sinaptico eccitatorio (EPSP). Canali per il Cloro (Aperti da Glicina e GABA): Il potenziale di inversione corrisponde al potenziale di equilibrio del cloro. Questi canali causano iperpolarizzazione, producendo un potenziale post-sinaptico inibitorio (IPSP). Recettori NMDA per il Glutammato: Sono normalmente bloccati dagli ioni magnesio (Mg²⁺). La depolarizzazione della membrana espelle il magnesio e consente il passaggio di ioni calcio (Ca²⁺) oltre a sodio e potassio. L'ingresso di calcio agisce come secondo messaggero, soprattutto in condizioni di depolarizzazione, innescando processi di plasticità sinaptica. L'ingresso di ioni calcio tramite i recettori NMDA contribuisce di meno alla depolarizzazione, rispetto all'ingresso di sodio tramite i recettori AMPA. Interruzione della Trasmissione Sinaptica Terminato il processo di trasmissione del segnale, è essenziale che la sinapsi ritorni rapidamente allo stato di riposo. Esistono diversi meccanismi per interrompere la trasmissione sinaptica: 1. Diffusione: Il neurotrasmettitore diffonde fuori dallo spazio sinaptico. 2. Ricaptazione: Il neurotrasmettitore viene riassorbito dalle cellule gliali (astrociti). 3. Riassorbimento Presinaptico: Il neurotrasmettitore viene riassorbito dalla cellula presinaptica. 4. Autorecettori: Il neurotrasmettitore attiva autorecettori presinaptici che iperpolarizzano la membrana pre-sinaptica, riducendo il rilascio del neurotrasmettitore. 5. Degradazione Enzimatica: Enzimi specifici (es. acetilcolinesterasi) degradano il neurotrasmettitore nello spazio sinaptico. 6. Inattivazione dei Recettori Post-Sinaptici: per un certo periodo di tempo i recettori diventano non responsivi 7. Endocitosi dei Recettori: in seguito a eccessiva attivazione sinaptica, i recettori vengono internalizzati e non sono più espressi sulla membrana post-sinaptica. Questo processo è alla base della dipendenza da sostanze di abuso. LA PLACCA NEUROMUSCOLARE: UNA SINAPSI CHIMICA SPECIALIZZATA La placca neuromuscolare è la sinapsi chimica che si forma tra un motoneurone e una fibra muscolare. È un sito di studio importante per capire come il SN controlla la contrazione muscolare. Caratteristiche Anatomiche della Placca Neuromuscolare Giunzione Specializzata: È una sinapsi grande con molteplici siti di rilascio del neurotrasmettitore (acetilcolina) da parte del terminale assonico del motoneurone. Motoneuroni e Fibre Muscolari: Un singolo motoneurone può innervare da poche decine a migliaia di fibre muscolari. Mielinizzazione: L'assone del motoneurone è mielinizzato fino al contatto con la membrana della cellula muscolare. Pieghe Post-Sinaptiche: La membrana della cellula muscolare presenta pieghe piene di recettori per l'acetilcolina. Potenziale di Placca (EPP) Potenziale Post-Sinaptico: Stimolando la placca neuromuscolare, si genera un prepotenziale chiamato "end plate potential" (EPP) o potenziale di placca. Soglia: In condizioni normali, ogni potenziale d'azione del motoneurone produce un potenziale di placca sufficiente a depolarizzare la membrana della cellula muscolare fino alla soglia, innescando un potenziale d'azione muscolare. Propagazione: Il potenziale d'azione muscolare si propaga lungo la fibra muscolare, mentre il potenziale di placca è un fenomeno locale. Isolamento del Potenziale di Placca Per studiare il potenziale di placca senza innescare il potenziale d'azione muscolare, si possono usare due strategie: 1. Bloccanti della Membrana: Inibire i canali della membrana della cellula muscolare.  2. Riduzione del Rilascio di Neurotrasmettitore: Utilizzo di farmaci come il curaro, un antagonista dell'acetilcolina, per diminuire il rilascio di neurotrasmettitore fino a che il potenziale di placca diventa sotto soglia. Sintesi e Degradazione dell'Acetilcolina Sintesi Locale: L'acetilcolina viene sintetizzata localmente nella terminazione presinaptica a partire da colina e acetil-CoA (derivato dal ciclo di Krebs), per permettere un turnover veloce del neurotrasmettitore. Rilascio e Degradazione: L'acetilcolina viene rilasciata dalle vescicole sinaptiche e poi degradata dall'enzima colinesterasi, presente nella membrana post-sinaptica, in acetato (che si disperde) e colina. Recaptazione: La colina viene ricaptata dal terminale presinaptico attraverso un sistema di diffusione facilitata, per essere riutilizzata. MIASTENIA GRAVE: UN DISTURBO DELLA TRASMISSIONE NEUROMUSCOLARE La miastenia grave è una malattia autoimmune caratterizzata dalla produzione di anticorpi contro i recettori per l'acetilcolina sulla membrana post-sinaptica. Riduzione dei Recettori: Questa patologia porta alla degenerazione del numero dei recettori per l'acetilcolina e dello spazio postsinaptico, indebolendo la trasmissione neuromuscolare. Debolezza Muscolare: La miastenia grave causa affaticamento e debolezza muscolare, soprattutto  nei muscoli oculari, del viso e degli arti. Potenziali d'Azione nella Miastenia Grave Variazioni di Ampiezza: Il potenziale d'azione composto dei muscoli di pazienti con miastenia grave mostra una diminuzione dell'ampiezza delle risposte muscolari, a causa della perdita di fibre muscolari funzionali. Le singole fibre hanno invece un potenziale d'azione invariabile. Affaticamento Muscolare: L'affaticamento muscolare nella miastenia grave è causato da una riduzione della comunicazione neuromuscolare, non da un affaticamento dei nervi. Trattamento della Miastenia Grave con Inibitori della Colinesterasi Aumento della Disponibilità di Acetilcolina: Gli inibitori della colinesterasi rallentano la degradazione dell'acetilcolina nello spazio sinaptico. Miglioramento della Trasmissione: L'aumento della concentrazione di acetilcolina nello spazio sinaptico, anche se temporaneo, permette una maggiore probabilità di legame ai recettori residui, migliorando la trasmissione neuromuscolare. Esempi Clinici e Sperimentali Paziente con Miastenia Grave: Incapacità di sollevare le palpebre a causa dell'affaticamento dei muscoli elevatori. Il trattamento con edrofonio (inibitore dell'acetilcolinesterasi) migliora la  condizione. Modello Murino: Topi con miastenia grave che mostrano debolezza muscolare. Il trattamento con neostigmina (inibitore dell'acetilcolinesterasi) porta a un miglioramento. Conclusioni Gli inibitori della colinesterasi, pur non curando la malattia, sono utili nel trattamento della miastenia grave, in quanto forniscono più tempo all'acetilcolina per legarsi ai recettori, compensando la riduzione del numero di recettori sulla membrana post-sinaptica. COLLEGAMENTI NEURONALI: CONVERGENZA, DIVERGENZA E SOMMAZIONE Le sinapsi sono il fulcro della comunicazione neuronale, permettendo la somma delle informazioni e l'inversione dei segnali. Divergenza: Un singolo neurone può innervare molte fibre muscolari (es. da 3 a 2000). Convergenza: Un neurone riceve input sinaptici da molte fonti. Sommazione Spaziale: Attivazione simultanea di più sinapsi. Sommazione Temporale: Attivazione sequenziale di una sinapsi con intervalli inferiori alla costante di tempo della membrana. Sommazione dei Segnali Sinaptici Potenziali Post-Sinaptici Eccitatori (EPSP): Le sinapsi eccitatorie generano EPSP che depolarizzano la cellula post-sinaptica. Potenziali Post-Sinaptici Inibitori (IPSP): Le sinapsi inibitorie generano IPSP che iperpolarizzano la cellula post-sinaptica. Integrazione Neuronale: La cellula post-sinaptica integra gli EPSP e gli IPSP, e se il potenziale di membrana raggiunge la soglia, genera un potenziale d'azione. Sommazione Spaziale e Temporale Sommazione Temporale: Stimoli che si susseguono in rapida successione in un neurone possono sommarsi se l'intervallo temporale è inferiore alla costante di tempo della membrana. Sommazione Spaziale: Stimoli che si originano contemporaneamente in neuroni diversi possono sommarsi se la costante di spazio della membrana è sufficientemente grande. Modulazione Presinaptica: Facilitazione e Inibizione Le sinapsi non sono solo siti di trasmissione, ma anche di modulazione: Siti di Espressione Sinaptica: Le sinapsi non si trovano solo sui dendriti e sul soma, ma anche sul terminale assonale in prossimità di un'altra sinapsi. Inibizione Presinaptica: Un neurone inibitorio (C) iperpolarizza il terminale sinaptico di un altro neurone (A), riducendo la corrente di calcio, e quindi il rilascio del neurotrasmettitore di A verso B, riducendo il potenziale postsinaptico. Facilitazione Presinaptica: Un neurone facilitatorio (C2) depolarizza il terminale sinaptico di un altro neurone (A), aumentando la corrente di calcio, e quindi il rilascio del neurotrasmettitore di A  verso B, aumentando il potenziale postsinaptico. Plasticità Sinaptica: Abituazione e Sensibilizzazione Le sinapsi possono modificare la loro efficacia in risposta all'attività e all'esperienza. Questo fenomeno è chiamato plasticità sinaptica. Abituazione: La ripetuta stimolazione di una sinapsi porta a una progressiva diminuzione della risposta post-sinaptica (EPSP). Questo accade a breve termine. Sensibilizzazione: Uno stimolo nocivo o associato a una situazione pericolosa può aumentare la risposta post-sinaptica a uno stimolo innocuo. Questo accade a breve termine, ma può essere anche a lungo termine. Esperimenti di Kandel sull'Aplasia Kandel ha studiato la plasticità sinaptica nel mollusco marino Aplasia: 1. Abituazione a Breve Termine: La ripetuta stimolazione del sifone provoca una riduzione della retrazione della branchia, dovuta a una diminuzione della quantità di neurotrasmettitore rilasciato dal neurone sensitivo o all'iperpolarizzazione del terminale. 2. Sensibilizzazione: Una scossa alla coda, associata a uno stimolo tattile sul sifone, aumenta la risposta del riflesso di retrazione della branchia. 3. Base Molecolare della Sensibilizzazione: Interneurone Facilitante: Un interneurone rilascia serotonina. Recettori Metabotropi per la Serotonina: La serotonina si lega ai recettori metabotropi presinaptici sul terminale del neurone sensitivo, attivando: Proteina G e Adenilato Ciclasi: La via dell'AMP ciclico che attiva la proteinchinasi A (PKA), portando alla chiusura dei canali del potassio, depolarizzando il terminale, facilitando il rilascio del neurotrasmettitore e incrementando il potenziale d'azione. Proteina G e Fosfolipasi C: La via della fosfolipasi C (PLC) che attiva la proteinchinasi C  (PKC), che va a reclutare neurotrasmettitore dalle riserve. 4. Sensibilizzazione a Lungo Termine: Un'attivazione ripetuta porta all'accumulo di proteinchinasi nel nucleo, attivando fattori di trascrizione genica, con la formazione di nuove sinapsi. Plasticità Sinaptica Mediata dai Recettori NMDA nei Mammiferi Nei mammiferi, la plasticità sinaptica a lungo termine è mediata dai recettori NMDA per il glutammato: 1. Glutammato e Recettori AMPA: Il glutammato, rilasciato dal terminale presinaptico, si lega ai recettori AMPA, causando l'ingresso di sodio e l'uscita di potassio, e quindi la depolarizzazione del terminale postsinaptico. 2. Recettori NMDA e Blocco del Magnesio: Il glutammato si lega anche ai recettori NMDA, ma normalmente questi canali sono bloccati dal magnesio. 3. Depolarizzazione e Rimozione del Magnesio: Quando la depolarizzazione indotta dai recettori AMPA supera un certo valore, il magnesio viene espulso dal canale NMDA, che diventa permeabile al calcio, oltre che a sodio e potassio. 4. Ingresso di Calcio e Calmodulina: L'ingresso di calcio attiva la calmodulina, che attiva diverse molecole, tra cui: Calmodulina Chinasi 2: Aumenta la conduttanza dei recettori AMPA. Sintasi dell'Ossido Nitrico: Messaggero retrogrado che potenzia il rilascio di neurotrasmettitore. Proteinchinasi C e Tirosinchinasi: Mediano il rilascio di nuovi recettori AMPA. 5. Potenziamento a Lungo Termine (LTP): L'attivazione di queste vie porta all'inserimento di nuovi recettori AMPA, a una maggiore entrata di calcio e a una maggiore risposta alla stimolazione glutammatergica. Tutto questo porta a modifiche nell'espressione genica e alla formazione di nuove sinapsi. Potenziale Recettoriale Stimolo e Recettori: Uno stimolo attiva recettori specifici e, se intenso, anche recettori non specifici. Diversità dei Recettori: I recettori sensoriali sono diversi in base alla loro funzione. Trasduzione del Segnale: Lo stimolo viene trasdotto in un potenziale di membrana che si propaga ai neuroni afferenti. Strutture Perirecettoriali: In alcuni casi, esistono strutture specializzate che interagiscono con i recettori, come i corpuscoli di Merkel e Meissner. Chemiocettori: Alcuni recettori, come quelli che misurano ossigeno, anidride carbonica e pH del sangue, sono di cui non siamo consci.